10.5闭合电路欧姆定律之闭合电路中的电势升降实验 教学设计-2023-2024学年高二上学期物理沪科版（2020）必修第三册

闭合电路中的电势升降 一、使用教材 本实验设计所属的学科内容来源如下： 上海科学技术出版社，普通高中教科书 物理 必修 第三册（2021年1月第1版）， 第十章 电路及其应用，第五节 闭合电路欧姆定律、电源电动势及内阻 二、实验器材 自制电池1个，内阻可调蓄电池1个(配稀硫酸若干)，探针1个，导电夹2个， 2B铅笔芯1支，开关1个， DIS系统（含5个电压传感器、1个数据采集器），滑动变阻器，导线若干。 三、实验创新要点/改进要点 1. 以数据分析培养科学探究的方法和态度 本实验通过实验数据这一客观证据，让学生 “看见” 了电极附近的、与内外电阻变化无关的电势升高的区域。借此可以让电动势这个抽象的概念形象化，进而突破这个教学难点。 2.科学论证，质疑创新，深度学习 通过改变（插入原电池内部的）探针间距的对比实验，证实了内电压测量的不完整性(即探针与临近电极之间的内电阻上的内电压未测量到)，在质疑创新中，深入认识电动势。 3.借助数字信息技术，直接、实时、精准、完整描绘了闭合回路中电势升降的图景 本实验设计借助数字信息技术，可以连续测量并实时显示闭合电路中各点的电势（设电源负极电势为零），可以直接、实时看到闭合回路中电势升降的图景。本实验设计既可以定性研究闭合回路中电势的升降，又可以研究闭合回路中电势升降的定量关系。 4. 本实验设计具有较高的可拓展性，可为进一步深入探究提供丰富的情境 在开关断开和闭合的情况下，分别测绘电源内部的电势升降图像，可以进行对比研究，发现电势升高区域的不变性。 在外电阻变化的情况下，测绘全电路的电势升降图像，可以进行对比实验，研究电路中的电势最低点等。 四、实验设计思路 实验设计是先通过增加测量接近电池正负极薄层内的电势差，让“电动势”这个抽象概念可视化。 然后通过改变探针间距的对比实验，让“电动势”的理解深入化。 最后，借助DIS的图像显示技术，移动探针连续测量电压，实时、精准测绘闭合回路中电势升降的图景，让闭合回路里的能量转化图像完整化。 五、实验教学目标 本实验设计服务于闭合电路欧姆定律这一部分的课堂教学，有以下教学目标。 1．物理观念 能够描绘闭合电路中的电势升降，从闭合电路中能量转换的角度丰富能量观念。 2．科学思维 能够通过改变插入原电池内部的探针间距的对比实验，获得结论并作出解释，培养科学论证的科学思维。 3.科学探究 能够分析实验数据，发现闭合电路中的电势升降特点，能够尝试用已有的物理知识进行解释，从“基于证据得出结论”的角度培养科学探究素养。 4．科学态度与责任 通过DIS描绘闭合电路中的电势升降，了解科学、技术的关系，培养学以致用的科学责任。 六、实验教学内容 1.增加测量薄层电压，演示电势“特别区域”。 2.增加探针与电极间距（减小cd探针间距），通过对比实验，深入认识电动势。 3.精细化测绘闭合回路中的电势升降。 七、实验教学过程 本实验设计是在课堂教学已经引出内电阻、内电压的假设之后开始的。 在以往的这一部分的教学实验中，通常是测量内电压与外电压之后，证明内电压与外电压之和为定值。E = U内 + U外 然后直接说这个定值等于电动势了。这样教学的问题是，有的学生会误以为这个是电动势的定义式。对于勤学善思的学生，非静电力做功的区域也常常是他们感兴趣的问题。 为了解决学生的疑惑，本实验设计之一就是增加测量接近正负极薄层内的电压,演示电势“特别区域”。 实验1：增加测量接近正负极的薄层电压，演示电势“特别区域”。 设计如图1、图2所示的电路。a、b为原电池正负极，c、d为（铜）金属探针。测量电源外部的电压U1（即电势差Uab）。测量电源内部可能存在的内电压U2（即电势差Ucd）。、分别测量探针与邻近电极之间的电压U3和U4（即电势差Uad和Ucb）。用滑动变阻器R改变外电路的电阻。用改变原电池电解质溶液导电截面积的方式改变内电阻的大小，如图3图、4所示。 测量原电池回路中各部分的电势差。测量结果示例如表1所示。 图1：实验原理图 图2：实验装置图 图3：电池内部导电截面积改变示意图 图4：电池内部导电截面积改变实物对比图 表1：闭合电路中的各部分电压测量结果示例 序号 外电压U1 （V） 内电压U2 （V） 近正极薄层电压U3 （V） 近负极薄层电压U4 （V） U1+U2（V） U3+U4（V） 备注 1 1.96 0 1.42 0.56 1.96 1.98 闭合电键前 2 1.64 0.27 1.37 0.55 1.91 1.92 3 1.52 0.36 1.35 0.54 1.88 1.89 4 1.45 0.43